Robotica

Robotica umanoide.

Alcune tecniche di costruzione pensate e ideate dal prof. Gottardo

L'attuale stato della tecnologia rende possibile quello che fino a qualche anno fa si sarebbe potuto considerare solo fantascienza. L'avvento di microcontrollori, programmabili in maniera semplice e con elevate prestazioni, consente di pilotare in maniera rapida e semplice attuattori di qualsiasi tipo, nonchè di gestire con facilità segnali in ingresso provenienti dai sensori più disparati.  Lo sviluppo di simulacri di vita umana o animale è oggi limitata solo dalla fantasia e dalle capacità tecniche di chi si vuole cimentare in questo affascinante campo.  Attualmente la robotica trova applicazioni nei campi più svariati che vanno dalla costruzione di  giocattoli, alla utensileria, alle macchine operatrici fino alle sofisticate strumentazioni per la chirurgia. La robotica umanoide si applica senza ombra di dubbio nel settore ludico, ovvero siamo ancora in quella fase in cui il prodotto sviluppato non può avere più responsabilità di quelle che si possono affidare ad un giocattolo.   vedremo cosa ci riserverà il futuro.  Nel frattempo cercherò di condividere tutto quello che ho intuito, scoperto, imparato in questo campo, in modo che chiunque ne sia affascinato possa trarne vantaggiosi spunti.

Ritenendo inutile, e forse anche un pò poco serio, iniziare la trattazione citando le tre famose leggi della robotica ideate da Isac Azimov comincerò semplicemente con una lista di concetti e di materiali necessari:

• senso dell'equilibrio statico    -> giroscopio

• senso dell'equilibrio dinamico -> accelerometro

• senso del tatto -> combinazione di termocoppie e di sensori di pressione

• vista -> telecamere a colori usate normalmente nei telefonini cellulari

• udito ->capsule microfoniche

• senso dell'appoggio dinamico -> Algoritmo di calcolo dello Z.M.P.

Sarebbe possibile creare in maniera artificiosa altri sensi ma questo farebbe perdere la "human like" all'automa, questi potrebbero essere:

• visione notturna  -> telecamere infrarosse.

• visione omnidirezionale -> telecamere  con apertura a 360 gradi

• prossimità con i metalli -> proxmity induttivi

• telecontrollabilità -> acquisizione di radiocomandi

ma come già detto questi vengono scartati perchè non rappresentano un reale stato umano, un esempio in tale proposito lo abbiamo avuto nelle recenti edizioni della robotcup nelle quali risultavano particolarmente avvantaggiati gli esemplari con visione a 360 gradi i quali non dovevano "girarsi" per rintracciare la palla  in campo.

Apparati motori

Si potrebbe pensare che la soluzione ottimale per la costruzione di automi di questo tipo siano gli stepper motors (motori passo passo), data la loro natura di pilotabilità diretta come treno di impulsi generati da un micro, ma i realtà questa tecnologia nell'ambito umanoide è in avanzato stato di abbandono ed è surclassata dall'avvento dei servomotori.

I servomotori.

Sono dispositivi molto compatti e leggeri attualmente molto usati nell'ambito del modellismo. Essi risolvono una posizione angolare dedotta da un segnale proveniente dal sistema di controllo e iniettato nel loro terzo filo (tipicamente giallo o blu). Tale segnale ha delle forti somiglianze concettuali con un P.W.M. anche se in realtà è molto più lento (attorno ai 50 o 60 hertz). il duty cycle di questo segnale fissa la posizione angolare dell'asse.  l'asse continuerà a trovarsi in coppia anche dopo il posizionamento fintanto che la scheda di controllo sarà alimentata. Un bell'esempio di servomotore autocostruibile lo possiamo trovare su questo sito nella sezione elettronica.  openservo

Punto dolente di questi servomotori sono la scarsa coppia che li rendono poco applicabili ad un umanoide di dimensioni "naturali", un "pupazzo" di queste dimensioni infatti può pesare oltre i 50 kg, è quindi necessario riprogettare il sistema abbinandolo a motori D.C. di opportuna coppia.  L'accoppiamento meccanico tra potenziometro e asse del motore funge anche da riduzione e deve essere adeguatamente dimensionato sulla coppia che si deve produrre e quindi sul peso degli arti da sollevare.  Le riduzioni possono essere in metallo o in naylon, entrambe hanno vantaggi e svantaggi. Una riduzione in metallo è sicuramente più robusta e affidabile ma è notevolmente più pesante e rumorosa, cose possiamo dire quindi? uni quicum sunt, a ciascuno il proprio :-)  in base all'applicazione decideremo cosa usare.

nell'immagine sottostante vediamo uno schema, testato e collaudato, prodotto da questo sito ma di funzionalità analoga al molto diffuso modello della Futba (giappone). il motore pilotabile, dipenderà dalla robustezza del ponte ad H utilizzato.

La componentistica completa è presentata nella sezione elettronica di questo sito. nelle foto sottostante vi è un esemplare montato e collaudato.

Ecco come collegare il motore alla basetta e l'aspetto del PCB.

nel caso si volesse ottenere una coppia davvero elevata possiamo cambiare il motore con uno ancora più robusto e quindi doveroso utilizzare il ponte ad H della seguente figura il cui schema elettrico è sempre nella sezione informatica del sito.

Implementazione del senso dell'equilibrilibrio: I giroscopi

Il giroscopio è un dispositivo fisico rotante che, per effetto della legge di conservazione del momento angolare, tende a mantenere il suo asse di rotazione orientato in una direzione fissa. Essenzialmente è costituito da una ruota in rotazione intorno al suo asse. Quando la ruota è in rotazione il suo asse tende a mantenersi parallelo a sé stesso ed ad opporsi ad ogni tentativo di cambiare il suo orientamento. Questo meccanismo fu inventato nel 1852  dal fisico Jean Bernard Léon Foucault nell'ambito dei suoi studi sulla rotazione terrestre Se un giroscopio è installato su una sospensione cardanica che permette alla ruota di orientarsi liberamente nelle tre direzioni dello spazio, il suo asse si manterrà orientato nella stessa direzione anche se il supporto cambia orientamento.

nell'immagine possiamo vedere come opera un giroscopio tradizionale a massa inerziale.

il giroscopio trova impiego nei sistemi di guida inerziali come ad esempio per rilevare la rotazione rispetto ad un asse di un elicottero è pure utilizzato sulle navi militari per mantenere la punteria dei cannoni lancia missili verso un bersaglio e le antenne verso un satellite, svincolando il puntamento dai movimenti di rollio e beccheggio della nave stessa. Nei satelliti artificiali, nelle sonde spaziali e nella navi spaziali è alla base del sistema di guida inerziale, che mantiene orientato il veicolo rispetto alle stelle fisse. In particolare nel Telescopio Spaziale Hubble è usato per mantenere puntato con precisione il telescopio verso il punto di osservazione.  Affichè un tale dispositivo possa trovare applicazione nella robotica, intesa del tipo qui affrontato, dovrà essere piccolo, preciso e rapido in risposta, inoltre non dovrà avere costi proibitivi come quelli che richiederebbe un giroscopio ottico al laser normalmente usato per la ricerca. esistono dei giroscopi aventi l'aspetto di un microchip il cui funzionamento si basa sulla variazione di campo presente su due coppie di armature disposte come perimetro di un quadrato, tra le quali vi è un sottile flusso di gas. Le variazioni angolari del giroscopio stesso sono emesse o sottoforma analogica per 2 o più assi oppure direttamente in un protocollo seriale oppure PWM. Al costo attuale di circa 3 dollari è possibile acquistare in chip prodotto dalla Analog Device descritto a seguito.   

ADXL202 Low-Cost ±2 g Dual-Axis Accelerometer with Duty Cycle Output

Schema a blocchi del giroscopio

Dual Axis Accelerometer Evaluation Board  ADXL202EB

GENERAL DESCRIPTION
The ADXL202EB is a simple evaluation board that allows the user to quickly evaluate the performance of the ADXL202 dual axis   ±2g accelerometer. Only three additional through-hole passive components must be added, depending on the bandwidth required in your application. The ADXL202EB has a 5-pin 0.1 inch spaced header for access to all power and signal lines that may be attached to a prototyping board (breadboard) or wired via a standard plug. Two holes are provided for mechanical attachment of the ADXL202EB to applications.

CIRCUIT DESCRIPTION
The ADXL202EB schematic and parts list are shown in Figure 1 and Table I, respectively. The minimal application will require at least one resistor (RSET) added to the board to set the PWM period (T2). Analog bandwidth may be set by adding capacitors C2 and C3. Refer to the ADXL202 data sheet for a complete description of the operation of the accelerometer. The part layout of the ADXL202EB is shown in Figure 2. The ADXL202EB has two factory-installed 2200 pF capacitors (C1 and C4) at XFILT and YFILT to satisfy the minimum filter capacitor specification of the ADXL202. Most applications will likely require narrower bandwidth (and lower noise), in which case a through-hole capacitor may be added in parallel in the space provided at C2 and C3, respectively. When calculating the capacitance required to achieve the desired analog bandwidth, do not forget to subtract the 2200 pF already on the PCB. The pinout description of the ADXL202EB is shown in Table II.

SETTING THE PERIOD OF THE DUTY CYCLE MODULATOR
The DCM period is set by RSET. Choose a value between 100 kΩ and 2 MΩ. See Table III for some typical RSET values.

Reference Value Function
C1 2200 pF/25 V XFILT. Sets X axis analog bandwidth along with C2.
C2 Added by User XFILT. Sets X axis analog bandwidth along with C1.
C3 Added by User YFILT. Sets Y axis analog bandwidth along with C4.
C4 2200 pF/25 V YFILT. Sets Y axis analog bandwidth along with C3.
C5 0.47 F Power Supply Bypass
J1 Connector All power and signal connections made through J1.
R1 Added by User RSET. Sets the PWM period (T2).
U1 ADXL202 Dual Axis ±2 g Accelerometer

ADXL202EB Pinout Description

Typical XFILT and YFILT Values vs. Bandwidth and Noise Performance.

SETTING THE ADXL202’s BANDWIDTH
The ADXL202EB is supplied with the minimum specified XFILT and YFILT values installed. Applications will likely require a narrower bandwidth to improve noise performance.

SPECIAL NOTES ON HANDLING
Note that the ADXL202EB is not reverse polarity protected. Reversing the +VSUPPLY and ground pins will damage the ADXL202.
Dropping the ADXL202EB on a hard surface may generate several thousand g of acceleration, enough to damage the accelerometer. Please refer to the ADXL202 data sheet for information on shock survivability.

download  ADXL202 Evaluation Board with RS-232 Interface and Datalogging.

dal link sottostante potrai scaricare il software con cui controllare la scheda di valutazione documentata nel PDF scaricabile dal link sovrastante.

download software della scheda ADXL202 Evaluation Board

  Pagina precedente